退火工艺（Thermal Annealing）介绍，退火工艺

描述

退火工艺又称为热退火 （Thermal Annealing），其过程是将硅片放置于较高温度环境中一定的时间，使硅片表面或内部的微观结构发生变化，以达到特定的工艺目的。退火工艺的最关键的参数为温度和时间，温度越高、时间越长，热预算（Thermal Budget）越高。在实际集成电路制造工艺中，热预算都有严格的控制。如果工艺流程中有多步退火工艺，则热预算就可以表达为多次热处理的叠加，即

DT（eff）=DT（1）+DT（2）+…+DT（n）

随着工艺节点的微缩，在整个工艺过程中容许的热预算越来越少，即高温热过程的温度变低、时间变短。 通常，退火工艺是与其他工艺（如离子注入、薄膜沉积、金属硅化物的形成等）结合在一起的，最常见的就是离子注入后的热退火。离子注入会撞击衬底原子，使其脱离原本的晶格结构，而对衬底晶格造成损伤。热退火可修复离子注入时造成的晶格损伤，还能使注入的杂质原子从晶格间隙移动到晶格点上，从而使其激活。晶格损伤修复所需的温度约为 500°C，杂质激活所需的温度约为950°C 。

理论上，退火时间越长、温度越高，杂质的激活率越高，但是过高的热预算将导致杂质过度扩散，使得工艺不可控，引发最终的器件和电路性能退化。因此，随着制造工艺的发展，传统的长时间炉管退火已逐渐被快速热退火（Rapid Thermal Annealing， RTA）取代。 在制造工艺中，某些特定的薄膜在沉积后需要经过热退火过程，以使薄膜的某些物理或化学特性发生变化。例如，疏松的薄膜变得致密，改变其在干法刻蚀或湿法刻蚀时的速率；或者在高k栅介质生长后进行退火 （Post Deposition Annealing， PDA），改善高k介质的特性，可降低栅泄漏电流，并提高介电常数。还有一种使用得较多的退火工艺发生在金属硅化物 （Silicide）形成过程中。

 金属薄膜如钴、镍、钛等被溅射到硅片表面，经过较低温度的快速热退火，可使金属与硅形成合金。某些金属在不同的温度条件下形成的合金相不同，一般在工艺中希望形成接触电阻和本体电阻均较低的合金相。 如前所述，根据热预算需求的不同，退火工艺分为高温炉管退火和快速热退火。高温炉管退火是一种传统的退火方式，其温度较高且退火时间较长，热预算很高。在一些特殊的工艺中，如注氧隔离技术 （ Seperation by Implantation of Oxygen，SIMOX）制备 SOI 衬底、深n井（Deep n-Well）扩散驱入 （Drive-in）工艺中应用较多，此类工艺一般需要通过高的热预算来获得完美的晶格或均匀的杂质分布。

快速热退火是用极快的升/降温和在目标温度处的短暂停留对硅片进行处理，有时也称快速热过程 （ Rapid Thermal Processing， RTP）。在形成超浅结过程中，快速热退火在晶格缺陷修复、杂质激活、杂质扩散最小化三者之间实现了折中优化，在先进技术节点的制造工艺中必不可少。升/降温过程及目标温度短暂停留共同组成了快速热退火的热预算。传统的快速热退火温度约为1000°，时间在秒量级。

近年来对其要求越来越严格，逐渐发展出闪光退火（Flash Lamp Annealing， FLA）、尖峰退火（Spike Anneal）及激光尖峰退火（Laser Spike Annealing， ISA），退火时间达到了毫秒量级，甚至有向微秒和亚微秒量级发展的趋势。激光退火最独特的优点是空间上的局域性和时间上的短暂性，采用激光光源的能量来快速加热晶片表面到临界熔化点温度。由于硅的高热导率，硅片表面可以在约 0. 1ns时间内快速降温冷却。激光退火系统可以在离子注入后以最小的杂质扩散激活摻杂物离子，已被用于 45nm 以下工艺技术节点。激光退火系统可与尖峰退火系统一起使用，以实现最优的结果。

审核编辑 ：李倩